Агрохимия, 2021, № 8, стр. 17-26

ВВЕДЕНИЕ

Проблема изучения кислотности черноземов и регулирования реакции среды в ЦЧО имеет давнюю историю. Опытные и практические работы по известкованию почв в ЦЧП проводили преимущественно в связи с возделыванием сахарной свеклы [1–3]. В качестве известкового материала чаще всего применяли дефекат, который давал некоторый эффект. Полевые опыты закладывали в большинстве случаев на слабокислых и близких к нейтральным почвах [4, 5].

В большинстве источников эффективность известкования черноземных почв признана доказанной [6]. В связи с этим в конце 1970–начале 1980 гг. в ЦЧП начали проводить полевые опыты с целью разработки нормативов расхода известковых материалов для нейтрализации черноземных почв. В разное время были подготовлены рекомендации по известкованию кислых почв [7, 8].

В научных кругах было довольно широко распространенно мнение об увеличении площадей кислых почв в ЦЧП, прежде всего в результате применения минеральных удобрений. Однако фиксируемый прирост площадей кислых почв нельзя объяснить, опираясь на результаты длительных стационарных опытов. В ряде случаев при применении минеральных удобрений отмечали увеличение показателя рН [9].

В почвах большинства областей Центрального Черноземья, в последние годы наблюдали тренд снижения кислотности и смещения реакции среды в щелочную сторону [10]. В Белгородской обл., по данным агрохимслужбы, характерно снижение доли кислых почв. Причем в зоне распространения черноземов обыкновенных наметилась четкая тенденция к подщелачиванию [11], хотя для степной зоны ЦЧО подкисление почв не характерно [12, 13]. В Воронежской обл. удельный вес кислых почв в настоящее время для пашни составляет 27%. Пахотных черноземов, имеющих рН 5.5 и менее, насчитывается 649.4 тыс. га. Значительная доля (510.6 тыс. га) приходится на слабокислые подтипы [13].

Одним из основных антропогенных факторов, способствующих изменению реакции среды в различных типах почв, являются минеральные удобрения [14–17]. Поэтому их применение в технологиях возделывания культур и сопутствующее этому увеличение кислотности почв имеет отрицательные последствия для продуктивности сельскохозяйственных культур [18–20].

В то же время минеральные удобрения увеличивают урожайность возделываемых культур [21], и не существует однозначного мнения об изменении кислотности черноземов под их влиянием [16, 17, 22, 23]. Смещение кислотности черноземов в ту или иную сторону определяется видом минеральных удобрений [24].

Цель работы – изучение влияния возрастающих доз NРК на сдвиг реакции почвенной среды черноземов и продуктивность растений ячменя.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Опыт с полным минеральным удобрением, включающим все три элемента (NРК) был заложен в микрососудах. Навеска абсолютно сухой почвы – 200 г/сосуд, повторность пятикратная. Предельная полевая влагоемкость (ППВ) почвы – 48.1%. Первоначальное увлажнение – до 0.7 ППВ (48.1 × 0.7 = 33.7%). Гигровлагу, составлявшую 7%, из норм увлажнения исключали (33.7 – 7.0 = = 26.7%). Норма увлажнения для микрососудов – 50 мл (200 × 0.267 = 53.4 г). Полив проводили дистиллированной водой.

В процессе проведения опыта показатель рН_KCl определяли потенциометрическим методом. Навеску почвы 20 г заливали 1 н. раствором хлористого калия в объеме 50 мл. На 20 г почвы с раствором вносили 3.75 г хлористого калия, что составляло 18.8% к массе анализируемого образца.

Дозы удобрений условно для наглядности пересчитали на 1 га земельных угодий. Для расчета масса слоя 0–20 см почвы принята равной 2000 т или 2 000 000 кг/га. Доза действующего вещества (д.в.) удобрения, равная 1 кг/га, соответствовала 0.0005 г/кг абсолютно сухой почвы. Дозы удобрений в пересчете на полевые условия в микровегетационных опытах менялись от 30 до 30 000 кг/га. Если дозу 60 кг д.в./га принять за оптимальную, то доза, равная 30 000 кг/га, соответствовала затратам удобрений в течение 500 лет.

Для наполнения микрососудов была использована почва, отобранная на микрозападине старопахотного участка. Почва отличалась довольно значительной величиной гидролитической кислотности – 5.88 мг-экв/100 г почвы, рН_KCl 5.25, рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 5.80 ед. Насыщенность основаниями – 83.6. Доля обменного кальция составляла 68.6% от суммы поглощенных катионов, равной 36.0 мг-экв/100 г почвы (табл. 1).

Почва специально была подобрана менее насыщенная основаниями. Исходили из предположения, что если в этой почве большие дозы удобрений не будут вызывать существенного сдвига физико-химических свойств, то тем более нельзя будет ожидать этого в почвах, насыщенных основаниями. По гранулометрическому составу почва представляла собой тяжелый пылеватый суглинок.

Примененные в опыте удобрения существенно отличались реакцией среды их водной суспензии, нейтрализующей способностью, содержанием кальция и магния в пересчете на их карбонатные формы (табл. 2). Наиболее высокая нейтрализующая способность оказалась характерной для углекислого аммония – 59.0%, отличающегося высокой щелочностью. Однако мочевина, отличающаяся также высокой щелочностью, имела незначительную нейтрализующую способность: 4.0% – удобрения и 11.5% – реактив.

Посев растений первоначально не предусматривали. Решение о посеве было принято в процессе работы. Посев проведен 10.09.2019 г. проросшими семенами ячменя. В микрососуде располагали 15 шт. семян. Всходы появились на следующий день. Кущение – 28.09.2019 г., уборка – в фазе трубкования 26.10.2019 г.

В опыте “Влияние возрастающих доз полного минерального удобрения на реакцию почвенной среды и продуктивность растений” изучили влияние возрастающих доз NРК на сдвиг реакции почвенной среды и продуктивность растений. Удобрения вносили в форме N_aa (N – 35%, рН 6.6), Р_сд (Р₂О₅ – 43%, рН 2.6), K_х крупнозернистого бурого (K₂О – 57.6% по документам, по нашим определениям – 59.0%, рН 7.5). Промывку почвы осуществляли дистиллированной водой в количестве 1 л/200 г абсолютно сухой почвы, порциями по 100 мл воды 10 раз. Варианты опыта, дозы удобрений в действующем веществе представлены в табл. 3.

Опыт “Изменение реакции среды под влиянием промывок на фоне применения минеральных удобрений и извести” был заложен в дополнение к предыдущему с целью расширить представления о влиянии промывки на реакцию среды. В опыт, наряду с применением только минеральных удобрений, были включены варианты, в которых удобрение сочеталось с известью, контроль – почва без удобрений и извести. Уровень удобренности был равен N6000Р6000K6000. Промывку осуществляли 5 раз (по 200 мл дистиллированной воды на 200 г почвы в пересчете на абсолютно сухую).

В опыте “Влияние различных форм и доз азотных удобрений на изменение реакции почвенной среды и продуктивность растений” было испытано несколько форм и доз азотных удобрений. Наибольшее количество вариантов отвели удобрению в форме N_aa, минимальная доза – N30, максимальная – N30 000 в условном пересчете на 1 га.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенное исследование изменения реакции среды показало заметное увеличение кислотности при дозах минеральных удобрений, превышающих N300P300K300 (табл. 4). При небольших дозах, близких к рекомендуемым под основные сельскохозяйственные культуры, величины рН_KCl были близки к контролю. Заметный сдвиг рН_KCl в кислую сторону наиболее отчетливо отмечен с дозы N300P300K300. При этой дозе NРК рН_KCl был равен 4.99 ± 0.04 ед., в контроле – 5.19 ± 0.04 ед. Сдвиг рН_KCl с возрастанием дозы NРК больше N300P300K300 был не стабильным и варьировал в интервале 4.87–5.08 ед. При максимальной дозе N30 000Р30 000K30 000 рН_KCl был равен 4.86 ± 0.07.

Увеличение кислотности почвы было связано с физиологической кислотностью примененных удобрений. Наибольший сдвиг рН в кислую сторону отмечен при применении Р_сд и существенно меньший – при внесении N_aa и K_х.

В варианте с внесением дозы N6000Р6000K6000 дополнительно был внесен карбонат кальция для стабилизации катионного состава, а также использован прием промывки почвы дистиллированной водой (табл. 5). Внесение карбоната кальция вызвало увеличение рН_КС1 до 5.84 ± 0.20 ед. при рН_КС1 5.08 ± 0.08 в варианте N6000Р6000K6000 без извести. Прирост составил 0.76 ед. Промывка приводила к выщелачиванию двухвалентных катионов, снижению степени насыщенности и в конечном итоге подкислению почвы. Величина рН_KCl в этом случае составила 4.84 ± 0.05, при той же дозе без промывки – 5.08 ± 0.08. Сдвиг рН_KCl при промывке в кислую сторону был равен 0.24 ед. Существенные различия в кислотности были отмечены в зависимости от влияния корневых выделений на почвенную среду. В микрососудах без растений почва была более кислой. При дозе N240Р240K240 без растений рН_KCl был равен 4.84 ± 0.03, с растениями – 5.16 ± 0.01. Существующее мнение о возможности подкисления почв углекислым газом, являющимся одним из продуктов корневого дыхания растений, не нашло подтверждения в нашем исследовании. В варианте без растений почва оказалась более кислой на 0.32 ед.

Характер изменения рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ несколько различался от показателя рН_KCl. С увеличением дозы минеральных удобрений до N120Р120K120 он повысился до 5.99 ± 0.06 (контроль – 5.81 ± ±  0.13), затем по мере увеличения дозы постепенно понижался до 5.81 ± 0.11 (при дозе N120Р120K210). Сдвиг в кислую сторону был более заметным, начиная с дозы N300Р300K300 (рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 5.61 ± 0.23). При максимальной дозе удобрений N30 000Р30 000K30 000 величина рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ была наиболее низкой – 4.91 ± 0.06 ед. На фоне известкования рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был равен 6.09 ± 0.24. При том же уровне удобренности (N6000Р6000K6000) без известкования рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был равен 5.38 ± 0.05. Сдвиг показателя при применении извести в щелочную сторону был равен 0.71 ед. В почве без растений при дозе N240Р240K240 рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ = 5.34 ± 0.06, в том же варианте с растениями – 5.86 ± 0.10, сдвиг был равен 0.52 ед.

В варианте N6000Р6000K6000 в сочетании с промывкой проведено определение реакции среды в процессе промывки. В реакции почвенной среды отчетливых закономерных изменений в процессе промывки не прослежено. Реакция фильтрата в процессе промывки сдвигалась в кислую сторону с 6.4 до 5.7 ед. В процессе промывки фильтрат мутнел и становился более окрашенным.

Закономерность изменения продуктивности растений ячменя в фазе трубкования показана в табл. 6. Для воздушно-сухого вещества она проявлялась более отчетливо. Продуктивность растений возрастала до уровня удобренности N1800Р1800K1800 – до 2.44 г/сосуд, почти до такого же уровня при дозе N3000Р3000K3000 – 2.39 г/сосуд. Резкое снижение продуктивности наблюдали при дозе N6000Р6000K6000 – до 0.58 г/сосуд. При более высоких дозах удобрений (12 000, 18 000 и 30 000 д.в.) растения в сосудах погибли. Внесение извести при дозе N6000Р6000K6000 повысило продуктивность растений до 1.16 г/сосуд. При этой же дозе удобрений промывка дала лучшие результаты – 1.66 г/сосуд.

Продуктивность растений ячменя стабилизировалась в интервале удобренности почвы 0.6227–1.0377% (N1800P1800K1800–N3000P3000K3000). Угнетение растений отмечено в интервале удобренности 1.0377–2.0756% (N3000P3000K3000–N6000P6000K6000). При более высоком уровне удобренности растения в сосудах погибли.

По окончании промывок и уборки растений, после того, как почва подсохла, определили реакцию почвенной среды потенциометрическим методом. Первый раз анализ проведен 17.12.2019 г., второй – 05.01.2020 г. (табл. 7). Показано, что под влиянием удобрений произошел существенный сдвиг реакции почвенной среды. Величина рН_KCl уменьшилась по отношению к контролю на 0.65 ед. в первый срок наблюдения и на 0.48 и 0.45 ед. – во второй срок. Почва из слабокислой перешла в средне- и сильнокислую.

Что же касается реакции фильтрата, то в контроле она оставалась практически неизменной, а в вариантах применения удобрений в чистом виде и с известью рН повышался от начала промывки к ее концу с (4.96 ± 0.09)–(4.8 ± 0.04) до (6.24 ± ± 0.17)–(6.28 ± 0.11) (табл. 8). В предшествующем опыте отмечена закономерность противоположного характера (табл. 7). Отмеченные различия кислотности почвы и фильтрата между данным и предшествующим опытом возможно объясняются тем, что первый опыт имел бóльшую продолжительность по времени.

В фильтрате из удобренной почвы резко (в 7 раз) возрастала концентрация минеральных веществ по сравнению с контролем. Величина сухого остатка при сочетании внесения удобрений и извести была незначительно меньше, чем без извести: соответственно 1200 и 1123 мг/л. Суммарное содержание солей различалось менее существенно, но с противоположной тенденцией: соответственно 1150 и 1170 мг/л. В связи с окраской фильтрата в вариантах применения удобрений не удалось определить общую щелочность и содержание хлора. Концентрация сернокислого остатка на удобренном фоне возросла относительно контроля, но не в такой мере, как это было отмечено для других элементов. Количество нитратов было невысоким: при применении NРК – 10.7, NРК + известь – 11.6, в контроле – 3.55 мг/л. По величине концентрации катионов при применении удобрений они составили следующий ряд: Са > K > Мg > Nа. Количественно этот ряд был выражен следующими величинами (мг-экв/л): вариант N6000Р6000K6000 – 30.4, 5.7, 3.6, 2.2, вариант N6000Р6000K6000 + известь – 31.0, 5.8, 4.3, 2.1 соответственно. В контроле была выявлена иная последовательность: Са > Мg > Nа > K, или 1.1, 0.4, 0.15, 0.07 мг-экв/л. По отношению к исходной почве (контроль) наиболее резко повысилась концентрация калия – в 82 раза, затем следовали кальций – в 28, натрий – в 14, магний – в 9 раз.

При применении удобрений отмечен существенный сдвиг реакции фильтрата в кислую сторону: контроль – 6.70, вариант N6000Р6000K6000 – 5/75, вариант N6000Р6000K6000 + известь – 5.69 ед. рН. При известковании реакция фильтрата была даже более кислой, чем без него. Кислая реакция фильтрата сформировалась преимущественно за счет первых порций фильтрата. Реакция фильтрата в вариантах опыта после первой порции была следующей: контроль – 6.7, удобрение – 5.0, удобрение + известь – 4.8 ед. рН.

Промывка почвы приводила к снижению продуктивности ячменя с 1.0 до 0.6 г воздушно-сухого вещества г/сосуд (табл. 9). После промывки в варианте с ингибирующей дозой минеральных удобрений N6000Р6000K6000 продуктивность ячменя оказалась близкой к контролю – соответственно 1.10 ± 0.04 и 1.00 ± 0.07 г/сосуд. Внесение извести дополнительно к удобрениям не привело к повышению продуктивности растений.

В опыте “Влияние различных форм и доз азотных удобрений на изменение реакции почвенной среды и продуктивность растений” было показано, что величина рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ снижалась нестрого прямолинейно с 6.46 ед. в контроле до минимума 5.68 ед. в варианте N30000 (табл. 10). Показатели рН_KCl были в большинстве вариантов применения удобрений выше, чем в контроле. Особенно заметное повышение величины рН_KCl отмечено, начиная с варианта N6000, в котором рН_KCl был равен 5.48 ед. В вариантах N18 000 и N30 000 рН_KCl был равен соответственно 5.52 и 5.56 ед., в контроле – 5.12 ед. Отмеченный характер изменения рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был обусловлен, видимо, возрастанием концентрации нитратного иона с повышением дозы удобрений. Ион же аммония оказался в значительной мере обменно-поглощенным. При воздействии хлористого калия на почву аммоний вытеснялся из почвенного поглощающего комплекса и подщелачивал среду. При высоких дозах удобрения различие в величине водного и солевого рН уменьшалось до минимума.

При применении мочевины в целом отмечена та же закономерность, что и для аммиачной селитры, но при высокой дозе мочевины (N30 000) рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был равен 8.77 ед, рН_KCl был равен 7.81, что составило разницу 0.96 ед.

Характер изменения рН с увеличением дозы других видов азотных удобрений приближался или к аммиачной селитре, или к мочевине, в зависимости от гидролитических свойств соли.

По величине рН_KCl при максимальной дозе азота N30 000 испытанные удобрения составили ряд: мочевина – рН 7.78, мочевина (реактив) – 7.78, аммиак водный (реактив) – 7.64, углекислый аммоний (реактив) – 5.98, азотнокислый натрий (реактив) – 5.68, NН₄NО₃ (реактив) – 5.66, аммиачная селитра – 5.56, сульфат аммония и азотнокислый калий – 5.36, хлористый аммоний – 5.23, азотнокислый кальций – 5.21 ед. рН. В контроле без удобрений величина рН была равна 5.12 ед.

Влияние этих веществ на величину рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был несколько иной: мочевина – 8.77, мочевина (реактив) – 8.75, аммиак – 8.65, азотнокислый натрий – 5.92, углекислый аммоний (реактив) – 5.91, NН₄NО₃ (реактив) – 5.82, аммиачная селитра – 5.65, сульфат аммония – 5.55, азотнокислый калий – 5.49, азотнокислый кальций – 5.32, хлористый аммоний – 5.29, в контроле – 6.46 ед. рН.

Таким образом, при максимальной дозе азота (N30 000) рН_KCl во всех вариантах был выше, чем в контроле. По величине рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ это было отмечено только на фоне применения мочевины и аммиака, при внесении других азотсодержащих веществ показатель рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был ниже, чем в контроле.

Растения ячменя по-разному реагировали на форму и дозу азотного удобрения (табл. 11).

В вариантах применения различным форм азотного удобрения максимальная продуктивность растений была отмечена при следующих дозах азота: аммиачная селитра (N_аа600) – 1.3, мочевина (удобрение) (N_м240) – 1.3, сульфат аммония (N_a120–240–600) – 1.2, хлористый аммоний (N_х240) – 1.4, аммиак (N_ва90) – 1.4, азотнокислый кальций (N_скц600) – 1.4, азотнокислый калий (N_ск240) – 1.4, азотнокислый натрий (N_c120) – 1.3, углекислый аммоний (N_у120–240) – 1.1 г/сосуд.

В наибольшем количестве вариантов удобренности были испытаны дозы аммиачной селитры. По величине воздушно-сухого вещества варианты с дозами азота не имели существенных различий в широком интервале от N30 до N600 включительно. Заметное снижение продуктивности растений наблюдали, начиная с варианта N6000, более существенное – при дозе N18 000. Полная гибель растений ячменя происходила при максимальной дозе N30 000.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наблюдения за состоянием кислотности чернозема показали, что реакция среды находилась в динамическом равновесии с изменяющимися природными и технологическими факторами. Отмеченный по результатам агрохимического обследования прирост распространения кислых почв был следствием суммирования выявляемых ежегодно новых площадей и не связан с факторами хозяйственной деятельности.

В качестве основного фактора, обусловливающего подкисление почвы, принято считать применение минеральных удобрений. Однако такое однозначное представление не подтверждено результатами более чем 20-летних наблюдений в стационарных полевых опытах с систематическим внесением минеральных удобрений.

Испытание в микровегетационных опытах возрастающих с 30 до 30 000 кг/га доз различных удобрений показало, что реакция среды при этом изменялась в зависимости от свойств примененного вещества.

При максимальной дозе азота величина рН_KCl изменялась в зависимости от формы удобрения в интервале от 5.21 (азотнокислый кальций) до 7.78 ед. (мочевина) при рН_KCl в контроле без удобрений, равном 5.12 ед. Во всех случаях величина рН_KCl была выше, чем в контрольном варианте.

Величина рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ изменялась от 5.29 (хлористый аммоний) до 8.77 (мочевина), в контроле – 6.36 ед., показатель рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ был выше, чем в контроле, только в вариантах применения мочевины и аммиака.

При применении полного минерального удобрения, включавшего аммиачную селитру, суперфосфат двойной гранулированный и хлористый калий крупнозернистый, величина рН_KCl снижалась до 5.08–4.87, начиная с дозы, равной в пересчете на полевые условия 300 кг/га каждого элемента. При максимальной дозе удобрений N30 000Р30 000K30 000 рН_KCl был равен 4.86 ед., в контроле – 5.19. Показатель рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ при этих же уровнях удобренности был равен соответственно 5.61, 5.28, 4.91, в контроле – 5.81 ед. Снижение величины рН при применении полного минерального удобрения, видимо, в большей мере было обусловлено использованным в опыте калийным удобрением.

Продуктивность растений в микровегетационных опытах не была связана с реакцией среды. Угнетающее действие возрастающих доз минеральных удобрений зависело от вида и формы вещества. При применении азотных удобрений снижение продуктивности растений ячменя отмечено, начиная с дозы N6000, сильное ингибирование – при дозе N18 000, полная гибель – при дозе N30 000. При применении NРK продуктивность растений начинала снижаться с дозы N3000Р3000K3000, сильно уменьшалась с дозы N6000Р6000K6000, полная гибель растений отмечена при дозе N12 000Р12 000K12 000 и более.